全球手機直連衛星應用發展與思考

文|陳宏

2023 年8 月29 日，華為公司發布全球首款支持衛星通話的大眾智能手機Mate 60 Pro，在國內外引起強烈反響，成為繼華為Mate 50、P60、Mate X3 支持北斗短報文功能，蘋果iPhone 14 手機基于全球星系統支持雙向SOS 緊急聯絡功能之后，手機直連衛星應用發展中的又一重要里程碑事件。華為Mate 60 Pro 手機使用我國自主研制的天通一號衛星移動通信系統，與中國電信的天地翼卡業務相結合，全球率先實現了手機直連衛星語音業務運營，走出了一條符合中國國情的低投入、快響應的手機直連衛星應用實現路徑，對我國后續手機直連衛星的路線選擇具有一定借鑒意義。

手機直連衛星已然成為衛星通信領域和信息產業的熱點，雖然手機直連衛星尚無統一定義，但已經達成了“手機直連衛星將成為行業重要的市場機遇之一”這一共識。2022 年，全球智能手機用戶規模為66.48 億，全球智能手機出貨量規模約為14.3 億臺，其形成的手機直連衛星市場價值可超千億元。更為重要的是，地面移動通信目前僅覆蓋了20%的陸地面積、不到6%的全球總面積，且受地震、洪水等自然災害影響容易造成大面積通信中斷，通過手機直連衛星能夠彌補地面移動通信網絡的不足，擴展覆蓋區域，構建全球覆蓋、全天候、全天時的公眾應急通信打底網絡，為用戶提供真正泛在的通信業務體驗，有效保障人民群眾的生命財產安全。

一、手機直連衛星基本概念

手機直連衛星顧名思義就是大眾消費類智能手機能夠直接與衛星通信，實現地面移動通信網絡目前支持的短信、語音、數據、互聯網等通信功能。雖然行業內尚未統一定義手機直連衛星的技術標準，但從用戶角度，其要求是明確的，即在不改變用戶使用習慣的前提下，大眾消費類智能手機同時具備地面移動通信網絡、衛星網絡的通信能力，此時衛星網絡等效于地面2G、3G、4G 或5G 網絡，衛星業務也可作為一項增值業務，與地面通信業務共同為用戶提供服務，如圖1 所示。從運營角度，手機直連衛星至少應具有如下特點：

圖1 手機直連衛星應用示意圖

1）用戶融合。使用同一用戶身份（同一SIM 卡）提供服務，實現用戶不換卡、不換號按需接入衛星或地面通信網絡。

2）終端融合。基于現有大眾消費類智能手機形態和軟件系統，通過芯片化、多模化、一體化、智能化設計，實現不同頻段之間、不同衛星之間，以及衛星通信與地面通信網絡之間的快速切換。

手機直連衛星不同于傳統衛星移動通信系統支持的專用雙模手持終端應用，其看似簡單的外觀形態改變，實則是衛星通信行業、地面移動通信行業近10 年快速發展相互趨同的結果，也是下一代移動通信技術發展的必然趨勢。手機直連衛星實現的難點在于解決衛星高動態、遠距離通信帶來的強信號衰減、時間不同步、頻率不同步、傳輸時序不對齊、移動性管理等問題。從業務頻率的角度，L、S、C 頻段比較容易實現與衛星直接通信，其空間損耗相比Ku 頻段減少20dB；從通信速率的角度，速率越低越容易實現，相同條件下，速率每提高一個量級，手機發射功率提高10W；從衛星軌道高度的角度，由于手機通信距離增加至百千米、最大36000km，空間路徑損耗最大至200dB，低軌衛星較高軌衛星空間損耗少約40dB。正因為近10 年電子技術、無線電技術，以及網絡技術的發展，才帶來上述難點的不斷突破，推動手機直連衛星應用產品不斷出現。

手機直連衛星將打開衛星網絡在手機、車聯網、穿戴產品等消費類民用市場的廣闊應用空間，帶來射頻天線器件、芯片、星載相控陣、星間鏈路、信號處理等全新增量市場，也為運營商帶來消費端新市場的新機遇。隨著支持衛星接入的3GPP R17 標準的發布，手機直連衛星應用的發展速度必將加快，其發展路徑也將逐漸清晰。

二、全球手機直連衛星發展情況

綜合國內外手機直連衛星研制進展，手機直連衛星目前存在多種解決方案（見表1）。從使用頻率角度，分為基于地面移動通信頻率實現、基于現有衛星移動通信頻段實現；從技術體制角度，分為使用地面移動通信協議（包括3GPP R17 中明確的NTN 標準）、使用衛星通信專用協議；從技術難度處理角度，分為交由手機側處理、交由網絡側（包含衛星）處理。為了方便描述，本文統一從使用頻率角度梳理總結全球手機直連衛星應用發展情況。

表1 全球手機直連衛星項目概況

1.基于地面移動通信頻率的手機直連衛星

國內尚未開展基于地面移動通信頻率的手機直連衛星試驗或應用。采用這種技術路線的目前均為國外企業，代表公司有AST 空間移動公司（AST SpaceMobile）、領克全球公司（Lynk Global）、太空探索技術公司（SpaceX）等，AST SpaceMobile、Lynk Global 等公司已發射衛星在軌驗證了對普通智能手機的直連通信能力，SpaceX 公司宣布第二代星鏈（Starlink）衛星將支持S 頻段手機接入。

（1）AST SpaceMobile 公司的手機直連衛星

美國AST SpaceMobile 公司致力于使用現有地面移動網授權通信頻段與標準，建設可與現有智能手機直接通信的新型低軌衛星星座“太空移動”系統，計劃于2025 年前部署完成。該系統空間段由243 顆藍鳥（BlueBird）衛星構成，分布在16 個傾斜和赤道軌道面，軌道高度725 ～740km，可實現全球南北緯60°之間的無縫覆蓋，用戶鏈路為UHF/L/S 頻段，地面4G/5G 手機通過用戶鏈路連接BlueBird 衛星，信號以透明轉發方式經Q/V 饋電鏈路連接地面網關，進而接入合作移動運營商的核心網。

目前，AST SpaceMobile 公司已發射2 顆試驗星，藍行者-3（BlueWalker-3）是其中第二顆，發射質量約1500kg，運行在高度500km、傾角53.2°的軌道，衛星對地面安裝有用戶鏈路使用的UHF 頻段陣列天線，多次展開后天線陣列面積64m2，可形成5 個波束。2023 年4 月，該公司宣布首次實現了使用普通智能手機通過BlueWalker-3 衛星進行雙向音頻通話。此次測試使用一臺未經修改的三星商用智能手機Galaxy S22，通話雙方分別位于美國德克薩斯州和日本，利用了電信運營商AT&T 的Band 5（850MHz）頻段。除了測試通話外，該公司還對各種智能手機和設備的兼容性，以及智能手機上下行鏈路信號強度進行了測試，確認了支持蜂窩寬帶速度和4G/5G 能力。2023 年9 月8 日，該公司在夏威夷毛伊島一個沒有蜂窩網絡覆蓋的地區，通過BlueWalker-3 衛星撥打衛星電話，借助AT&T 的5G 頻譜發送信號，接收者使用三星Galaxy S22 手機在西班牙馬德里接通了這通電話，此次測試標志著常規智能手機和衛星之間的首次5G 連接。至此，該公司實現了與主要制造商生產手機的完全兼容，并支持 2G、4G LTE 和 5G 網絡。

AST SpaceMobile 公司的直接用戶是地面電信運營商，目前已經獲得美國鐵塔、歐洲沃達豐、日本樂天、韓國三星等電信運營商的戰略投資。根據計劃，該公司擬在2024 年發射前5 顆Block 1 BlueBird 衛星，構建更強大的星座。

（2）Lynk Global 公司的手機直連衛星

美國Lynk Global 公司旨在為地面移動網絡運營商及用戶提供2G 到5G 的通信服務。2022 年9月，美國聯邦通信委員會（FCC）已授予該公司全球首個“普通手機直連衛星”服務的商業運營許可。Lynk Global 公司計劃2023 年底前部署50多顆衛星，并通過對BTS、eNB 和gNB 等基站軟件棧進行適應性修改，在2025 年為地面移動網絡運營商提供同時滿足2G GSM、4G LTE 和5G NR標準的服務，當衛星飛行進入地面站網關時，可向地面移動電話提供近實時的IP 數據連接至互聯網，當衛星飛出地面站網關時，還能采用存儲轉發的方式進行通信。

目前，Lynk Global 公司已發射部署3 組共7 顆技術驗證衛星，這些衛星運行在高度約500km、傾角51.65°的軌道，用于測試向地面標準移動設備收發地面網絡信號的能力。2023 年6 月21 日，該公司與帕勞最大的移動通信運營商PNCC 聯合宣布，開始使用其衛星向該島國提供手機直連衛星服務，在自然災害發生并導致地面網絡中斷時提供備用服務，以增強這個群島國家的網絡恢復能力。2023 年7 月25 日，Lynk Global 公司發布了其基于在軌衛星與存量普通手機進行雙向語音通信的測試視頻，展示了通過該公司在軌衛星連接普通移動電話進行多次語音通話的場景。

Lynk Global 公司已與全球30 多個移動通信運營商簽訂了手機直連衛星服務商業協議，并在七大洲的40 多個國家成功進行了演示。

（3）SpaceX 公司的手機直連衛星

2022 年8 月25 日，SpaceX 公司與電信運營商T-Mobile 公司共同宣布，將通過星鏈衛星提供真正的全球手機網絡連接。2023 年10 月11 日，SpaceX公司在星鏈官網推出了手機直連衛星業務介紹，其將為全球各地的LTE 手機提供服務，LTE 手機無需更改硬件、固件或特殊應用程序，即可通過星鏈發送文本、語音和數據，讓用戶無論身處陸地、湖泊，還是沿海水域，都可以隨時隨地發送短信、撥打電話和瀏覽網頁。根據規劃，2024 年將實現短信發送，2025 年實現語音通話和網絡服務，并分階段實現物聯網業務。星鏈手機直連衛星業務的合作運營商包括：T-Mobile（美國）、ROGERS（加拿大）、KDDI（日本）、OPTUS（澳大利亞）、ONE NZ （新西蘭）、SALT（瑞士）等。納入合作伙伴的國家和地區，可獲得同樣的手機直連衛星服務。

SpaceX 公司和T-Mobile 公司的合作方案中，T-Mobile 公司提供地面頻譜資源1.9GHz，SpaceX 公司則通過攜帶巨大天線的星鏈V2.0 衛星實現與地面普通手機的互聯。星鏈V2.0 衛星的通信載荷將在現有Ku、Ka 天線和星間激光鏈路的基礎上，增加一個面積達到25m2的中頻PCS 頻譜天線，以實現與地面手機的直接通信。每個中頻PCS 頻譜天線將在地面形成一個通信單元格，通信速率為2 ～4Mbit/s，單元格中的手機將可以通過直連衛星實現通信。SpaceX 同時也在申請使用2GHz 的衛星移動通信頻率資源，以增強其衛星移動通信服務。

（4）Omnispace 公司的手機直連衛星

美國歐姆尼太空公司（Omnispace）旨在利用低軌衛星星座提供符合3GPP 標準的全球5G 網絡服務，該網絡可實現全球范圍內面向企業和政府的物聯網以及手機等消費類設備的直接通信。2021 年，Omnispace 公司在實驗室環境下為美國海軍演示了商用5G終端通過衛星獲取語音和數據服務的能力。2022 年5 月26 日，Omnispace 公司的Spark-2 試驗星成功入軌，與已經在軌的Spark-1 試驗星共同提供測試支持。

2.基于衛星移動通信頻率的手機直連衛星

衛星移動通信頻率主要使用L、S 頻段。使用L 頻段的衛星移動通信系統主要有國際移動衛星（Inmarsat）、銥星（Iridium）、全球星（Globalstar）、瑟拉亞（Thuraya）；使用S 頻段的衛星移動通信系統主要有Inmarsat、回聲星（EchoStar）和我國的天通一號系統。其中，Iridium、Globalstar 為低軌系統，其他均為高軌衛星移動通信系統。這些系統的運營商目前也在推進手機直連衛星，通過在頻譜、用戶、網絡覆蓋等方面與地面移動運營商或終端設備商建立深度合作關系，相互補充、共同運營。

（1）國外衛星移動通信系統

Globalstar系統。該系統由美國勞拉公司（Loral）和高通公司（Qualcomm）倡導發起，其第一代衛星星座由48 顆主用、4 顆備用低軌衛星共同組成，于2000 年2 月完成部署，并通過20 多個地面關口站為除南北極外的120 多個國家用戶提供語音、短消息、數據、定位等服務；2010 年10 月至2013 年2 月，其24 顆第二代衛星發射部署完成，與8 顆一代備份衛星共同組成第二代星座提供全面商業服務。2022 年9 月，蘋果公司與Globalstar公司合作推出手機直連衛星SOS 業務，允許通過直接連接Globalstar 衛星發送遇險信息和共享位置。Globalstar 公司已同意將其當前和未來網絡容量的85%分配給蘋果公司開展手機直連衛星業務，并負責提供和維護所有人員、軟件、衛星系統等，確保符合蘋果公司要求的連接和覆蓋。蘋果公司的衛星SOS 服務目前已經在美國、加拿大、法國、德國、愛爾蘭、英國、奧地利、比利時、意大利、盧森堡、荷蘭、澳大利亞、新西蘭和葡萄牙等國家的市場上線。

Inmarsat 系統。該系統是當前國際上應用最廣泛、市場占有率最高的全球移動衛星通信系統，其目前主要使用部署在地球靜止軌道（GEO）的多顆第四代、第五代、第六代衛星，提供覆蓋全球南北緯78°以內區域的移動寬帶、窄帶通信業務。2023年2 月25 日，摩托羅拉發布了支持雙向衛星消息的安卓手機Defy2、CATS75，以及基于eSIM，通過藍牙連接使用的直連衛星終端Defy Satellite Link，Defy2、Defy Satellite Link 在北美、拉丁美洲和加拿大運營使用，CATS75 在歐洲、中東和非洲地區運營使用。這些產品采用聯發科（MTK）生產的符合3GPP NTN 標準的獨立芯片組MT6825，通過海事衛星提供服務，終端側配備有專用的短消息應用程序，運行在Bullitt Satellite Messenger 服務上，一次發送消息限制為140 個字節。

此外，Iridium 系統與Qualcomm 公司合作開發了一款名為驍龍衛星（Snapdragon Satellite）的產品，支持通過Iridium 衛星進行雙向通信；阿聯酋衛星運營商亞塞特公司（Yahsat，Thuraya 的母公司）投資美國加利福尼亞初創公司eSATGlobal，開發一種芯片，可以讓手機連接到Thuraya 衛星；EchoStar也表示將開發智能手機直連衛星應用。當前，這些傳統的衛星移動通信運營商基本采用與Globalstar和Iridium 類似的解決方案，即將衛星通信模塊集成到手機中，通過連接已在軌的衛星，提供所需的衛星通信業務。

（2）國內衛星移動通信系統

天通一號是我國首個自主研制的衛星移動通信系統，01 星、02 星、03 星分別于2016 年8 月、2020 年11 月、2021 年1 月發射，定點于地球靜止軌道，目前3 顆衛星在軌運行提供運營服務。

天通一號系統采用S 頻段為用戶提供話音、短信、數據、傳真等業務。相比華為P60、Mate X3手機支持雙向短報文功能、蘋果iPhone 14 手機支持雙向SOS 緊急聯絡功能、Iridium 與Qualcomm 公司合作推出的Snapdragon Satellite 芯片支持雙向短報文功能，手機直連天通衛星由于支持實時、雙向語音業務，其實現難度更大，主要體現在：一是手機集成的衛星通信射頻天線收發性能要求更高，相比天通行業終端，普通手機的接收和發射性能均低10dB 以上，需要對手機天線、功放、低噪放等關鍵器件進行較大的技術創新，對于國內大部分手機廠商難度極大；二是芯片一體化設計要求更高，天通行業終端基帶芯片、射頻芯片、存儲芯片等分離設計，體積大、功耗高，無法直接用于手機集成，需要重新設計、封裝，并與手機主板一體化布局，滿足高度集成、長時間通話的使用要求；三是天地一體用戶統一認證要求更高，天通一號系統原使用1740 專用號段提供服務，為了向用戶提供無感的一致服務，實現用戶不換卡、不換號情況下按需選擇衛星或地面移動通信網絡，需要打通衛星、地面移動通信網絡統一簽約、鑒權、計費的運營通道。針對上述技術難點，中國電信、華為公司和相關設備研發單位聯合攻關，歷時兩年，突破了優化體制設計、射頻基帶芯片一體化小型化設計、手機高性能前端器件設計、天地一體用戶身份統一認證等關鍵技術，實現了用戶融合、終端融合，確保了手機直連天通衛星產品順利上市運營。

三、兩種技術路線的比較

基于地面移動通信頻率的手機直連衛星，其優點在于能夠面向存量手機實現衛星直連，現有地面智能手機不做任何改動即可直接接入，但其缺點也非常明顯。一是建設和運營成本高、周期長，需要新發射數百顆衛星組成完整網絡才能提供商業化服務。二是需要突破現有頻率監管規則，實現“全球通”難度大。全球地面移動通信頻率使用碎片化已成事實，使用地面頻率開展手機直連衛星業務不僅面臨著沒有統一的頻率資源問題，也面臨著比較大的監管障礙，需要重新規劃星地通信頻率的屬性。以SpaceX 和T-Mobile 合作的手機直連衛星為例，其使用1.9GHz 的PCS G 塊頻譜只在美國、加拿大和南美的個別國家可用，在世界其他地方不可用，如需在其他地方提供服務，衛星需要在不同地區不斷地變化頻率，工程難度增加，而且落地運營的商務談判難度也相應增加。三是頻率干擾控制難度大，協調成本高。衛星在不同的地方使用不同的頻率，引出的另一個問題就是，衛星運營商不但需要與合作的地面運營商進行地面和衛星的頻率協調安排，還要在邊境地區與其他運營商進行干擾協調并采取干擾規避措施，復雜的干擾場景也會進一步增加監管部門和地面運營商的擔憂，提高協調成本。

基于衛星移動通信頻率的手機直連衛星，其優點在于，不需要調整現有頻率監管規則即可實現“全球通”，如使用已經建成的衛星移動通信系統，投入適當的研發和改造經費，較短時間內就能實現手機直連衛星，建設運營成本相對較低、周期較短。其缺點在于：一是不能支持存量手機，需要新研集成衛星通信模塊的手機，且射頻天線性能需要適應性提升；二是基于現有衛星移動通信系統支持手機直連，實現的衛星通信能力有限，現有衛星移動通信系統需要在安裝有高增益天線的手持終端的配合下，才能實現話音、短信、低速數據通信，由于手機采用隱形天線設計，射頻天線性能相對較差，直連衛星時實現話音和低速數據通信難度較大。

四、我國手機直連衛星應用發展建議

手機直連衛星在我國具有龐大的用戶規模和廣闊的市場潛力。我國是全球最大的智能手機市場之一，2022 年擁有超過9.5 億智能手機用戶，比第2 ～4 名的印度、美國和印度尼西亞的總和還要大，僅2022年智能手機出貨量2.64 億部，其中，5G 手機出貨量2.14 億部。而且，隨著國民經濟的發展及個人消費能力的提升，戶外運動群體不斷擴大，目前，我國約有1.3 億人開展徒步旅行、戶外休閑等泛戶外運動，占總人口數的9.5%，且呈逐年增加趨勢，需經常性穿越地面網絡信號覆蓋盲區，對手機直連衛星應用有著迫切的需求。

手機直連衛星還具有很強的技術先進性和產業帶動性，其不僅拓展了地面移動通信的覆蓋區域，還能夠引領衛星技術跨越發展,促進天地融合網絡技術深化研究，影響B5G/6G 技術標準演進方向，帶來航天和信息產業的變革。因此，綜合各種手機直連衛星解決方案的優缺點，建議我國結合自身國情，按照“能用好用、高效節約”的原則，分為三個階段穩步推進我國手機直連衛星產業發展。

一是市場培育階段。基于目前已經實現的手機直連天通衛星應用，進一步拓展用戶群體和應用場景，實現更大規模的手機直連天通衛星運營，解決用戶需要時“能用”的問題；同步探索性推進手機直連天通衛星低速數據業務，以及手機直連低軌衛星技術驗證，為后續能力增強階段的工作奠定基礎。

二是能力增強階段。結合我國空間基礎設施建設，以及3GPP NTN 技術標準的推廣，逐步提升手機直連衛星應用能力，不僅在通信速率上得到較大提升，業務類型更加豐富，而且在覆蓋范圍上拓展至準全球/全球覆蓋，用戶體驗顯著改善，解決用戶“好用”的問題。

三是天地融合階段。基于6G 天地一體技術的演進成果，以及我國6G 天地一體融合網絡的建設，為用戶提供全球覆蓋、隨遇接入、按需服務、無感切換的手機直連衛星應用，業務類型極大豐富，與地面網絡基本一致，且可同步引領未來通信網絡的迭代發展。